摘要
氢能源作为一种绿色安全无污染的可再生燃料有助于碳达峰和碳中和战略的达成。然而，作为获取氢能的重要途径之一，水裂解反应过程中较高的过电位极大限制了产氢技术的发展。因此，设计合成高活性的电催化剂以驱动电化学裂解水的全面发展是催化领域的核心着力点。近年来，过渡金属基催化剂因为其低成本、优异的催化活性以及稳定性展现出可替代商用贵金属催化剂的巨大应用潜力。而以金属有机骨架化合物(MOFs)材料为载体建构的过渡金属基电催化剂因为具有比表面积大、孔道可调、结构可控等特点，成为指导研究高活性电催化剂的切入点。 本文通过对普鲁士蓝类似物(PBA)和沸石咪唑酯(ZIF)两种金属有机骨架进行结构调控，研究了其电催化活性和反应机理，并将同时具有氧析出(OER)和氧还原(ORR)活性的催化剂组装为锌-空气电池，并测试了其充放电性能。本工作对于开发新型高效电催化剂具有重要意义，为能量存储与转换器件的发展提供了新的思路。主要研究内容总结如下: (1)采用共沉淀法，通过Sn诱导晶体生长调控策略，合成了一种拓扑阿基米德多面体CoFePBA(Sn-CoFePBA)。对Sn-CoFePBA进行磷化热处理后得到了Sn掺杂的二元CoP/FeP杂化体(Sn-CoP/FeP)。得益于Sn-CoP/FeP粗糙的多面体表面和内部多孔结构，在碱性电解水析氢反应(HER)中，该催化剂只需要62mV的过电位即可达到10mAcm-2的电流密度，并具有35h的催化循环稳定性。 (2)通过水热过程将Cu和Fe元素引入ZIF-8基底，并进行高温热处理，制备了铜与铁氮颗粒共掺杂碳基体的Cu-Fe/FeN0.0324@C氧还原催化剂。归功于Fe单质与FeN0.0324颗粒间的异质结，以及Fe与Cu元素之间的电荷转移，Cu-Fe/FeN0.0324@C具有突出的ORR性能，其半波电位(E1/2)值为0.86V,极限电流密度(jL)值是5.76mAcm-2,可与铂/碳电极媲美。 (3)借助水热法，通过将双金属Ni和Fe元素掺杂ZIF-8基底后进行高温热解与酸洗处理,合成了一种低成本的镍单原子掺杂铁氮颗粒核壳电催化剂NiSAC@FeN0.0324/C。Ni单原子和FeN0.0324纳米颗粒间的界面协同作用加速了OER过程的电子转移进程，NiSAC@FeN0.0324/C催化剂仅需258mV的过电位即可达到10mAcm-2的电流密度，优于贵金属IrO2。同时，NiSAC@FeN0.0324/C在ORR反应中的E1/2为0.89V,jL为6.05mAcm-2，远大于商业Pt/C电催化剂。将NiSAC@FeN0.0324/C作为正极活性材料组装为锌-空气电池器件并测试了其充放电性能和抗甲醇稳定性，均表现出杰出的性能。其比容量为814.1mAhg-1，且在充放电480圈后性能仍然保持稳定，胜过商用IrO2-Pt/C组装的锌-空气电池。
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